地鐵站臺點型感煙火災(zāi)探測器的火災(zāi)響應(yīng)性能分析

莊永寧

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司， 430063， 武漢//高級工程師)

目前，地鐵站臺公共區(qū)域設(shè)置的火災(zāi)探測器多為感煙型。文獻[1-7]對點型感煙、吸氣式感煙及線型光束感煙等火災(zāi)探測器在地鐵車站的設(shè)計及應(yīng)用進行了仿真模擬試驗和實體試驗。本文以最常見的點型感煙火災(zāi)探測器為研究對象，對其火災(zāi)響應(yīng)性能進行分析。

1 仿真模擬試驗

1.1 建立仿真模型

采用動態(tài)火災(zāi)模擬(FDS)軟件,以某地鐵站臺一端的典型區(qū)域為原型，建立仿真模型(如圖1所示)。設(shè)定模型環(huán)境為停運無機械通風環(huán)境。模型長為35.0 m，寬為18.0 m，高度為4.5 m。站臺門高2.7 m，間距為10.5 m。站臺一端為設(shè)備間，另一端設(shè)有與站廳層連通的樓梯。站臺格柵的鏤空率是煙氣火災(zāi)探測器報警的重要影響因素。文獻[8-10]已對此作了詳盡論述，為簡化模型，本文不再贅述。故模型中未設(shè)置格柵。整個計算區(qū)域采用絕熱、無滑的壁面邊界條件，其初始溫度設(shè)為20 ℃。

圖1 典型站臺區(qū)域仿真模型

模擬工況按火源類型可分為油池火、聚氨酯泡沫塑料明火和棉繩陰燃火3種工況。油池火工況下，每平方米油池火的熱釋放速率初始值約為844 kW，并與t2成正比關(guān)系增長(t為燃燒時間)。CO的生成比例設(shè)置為0.011，碳煙的生成比例設(shè)置為0.038。棉繩陰燃火工況參照GB 4715標準SH2等級試驗火設(shè)定。根據(jù)文獻[8]，1束(90根)標準棉繩的最大熱釋放速率為3.2 kW，達到最大熱釋放速率的時間為120 s，熱釋放速率同樣與t2成正比。模擬試驗中設(shè)置為3束棉繩。聚氨酯泡沫塑料明火工況參照GB 4715標準SH3等級試驗火設(shè)定。根據(jù)文獻[8]，3塊標準聚氨酯泡沫的最大熱釋放速率為59 kW，達到最大熱釋放速率的時間為135 s。

如圖1所示，火源位置分別設(shè)定于設(shè)備間外側(cè)(F1)、樓梯口(F2)、安全門側(cè)(F3)及區(qū)域中部(F4)等4處。由于F4處沒有設(shè)備設(shè)施，故火源在F4的油池火可判定為人為縱火。每個工況的模擬時間為600 s。

感煙探測器共10個沿站臺門對稱布置(見圖1)，均吸頂安裝，其縱向間距為6.2～8.5 m，橫向間距為7.5 m。由于在火災(zāi)發(fā)展初期煙氣的產(chǎn)生與運動較為復(fù)雜，難以預(yù)測，因此，模型以煙氣濃度為單一參數(shù)建立了理想化虛擬點型感煙探測器。探測器響應(yīng)的煙氣濃度臨界值為3.28%/m，報警時間為自起火始至探測器響應(yīng)的時間。

1.2 仿真模擬試驗結(jié)果分析

各工況仿真模擬試驗的結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)值模擬探測器報警時間表

從仿真模擬試驗結(jié)果可以看出，油池火工況與聚氨酯火工況中的10個點型感煙火災(zāi)探測器全部報警，而棉繩火工況中只有1～2個探測器報警。火源位置、火源功率及火源類型是影響探測器火災(zāi)響應(yīng)性能的重要因素，對試驗結(jié)果均有影響。

1.2.1 火源位置

各工況中，第1個與第2個發(fā)出警報的探測器都是距火源最近的2個探測器：F1對應(yīng)3#和8#探測器，F(xiàn)2對應(yīng)4#和9#探測器，F(xiàn)3對應(yīng)8#和9#探測器。

從火源位置來分析，無論火源類型如何，其他3處起火均比F1處起火的報警時間長，相對較晚。究其原因，一方面，F(xiàn)1靠近設(shè)備間墻壁，使煙氣更易飄向3#和8#探測器方向；另一方面，F(xiàn)3靠近樓梯口，部分煙氣易從樓梯口向上擴散至站廳層。

另外，在第1個警報與第2個警報的時間差方面，火源位于F1時，油池火工況約為16 s，聚氨酯火工況約為19 s；火源位于F2時，油池火工況為0 s，聚氨酯火約為8 s；火源位于F3時，由于火源處于3#和8#探測器下方的正中間，故油池火和聚氨酯火工況的第1個警報與第2個警報幾乎同步。

1.2.2 不同火源功率

火源在F4處的油池火(人為縱火)工況最大火源功率約為1.4 MW，其報警時間最短。在其它火源位置,油池火工況的最大火源功率約為135 kW，第一警報時間也不超過1 min。聚氨酯火工況的最大火源功率約為59 kW，明顯小于油池火工況，但其3個火源位置的第1次警報時間均無顯著差距,且不超過1 min。棉繩火工況的最大火源功率約為 9.6 kW，由于其為陰燃火，故其3個火源位置的第一次警報時間最長。

1.2.3 不同火源類型

從報警時間的試驗結(jié)果來看，人為縱火工況因其火源面積較大，早期產(chǎn)生的煙氣較多、溫度較高，故其第1次警報時間最短，為35 s，其余的油池火和聚氨酯火工況的第1次警報時間均為40～51 s。而棉繩火工況的第1次警報時間則為1～3 min。這主要是由于棉繩火為陰燃火，煙氣溫度較低，在空間內(nèi)蔓延速度較慢。比較第2次警報時間，除人為縱火工況外，油池火工況的第2次警報時間在48～56 s之間；聚氨酯火工況的第2次警報時間相對要長一些，為52～65 s；棉繩火只有F1起火時有2個探測器報警，第2次警報時間則超過7 min，其它2個火源位置只有1個探測器發(fā)出報警。可以看出，火源類型對報警響應(yīng)時間的影響相對較大。

2 實體試驗

2.1 實體試驗?zāi)Ｐ?/h3>

實體試驗搭建了簡易模型，如圖2所示。簡易模型四面為封閉墻體。模型縱向長13 m，寬12 m，頂板高度為3.5 m，縱向一端頂部設(shè)有1個縱向長1 m、寬5 m的開口來代替站臺樓梯口。模型吸頂安裝了4個點型感煙火災(zāi)探測器，其縱向及橫向間距均為8 m，其位置相當于仿真模型中的3#、4#、8#、9#探測器。

圖2 典型站臺區(qū)域?qū)嶓w試驗簡易模型

火源類型與仿真模擬試驗相同，分為油盤火、聚氨酯明火和棉繩陰燃火3種，其中，聚氨酯明火及棉繩陰燃火分別參照GB 4715標準SH3和SH2試驗火布置。

火源位置與仿真模擬試驗對應(yīng)分別設(shè)在設(shè)備間外側(cè)(F1)、樓梯口(F2)、安全門側(cè)(F3)及區(qū)域中部(F4)。

2.2 實體試驗結(jié)果

火源位置為F1、F2及F3的實體試驗結(jié)果與仿真模擬試驗結(jié)果比較如表2所示。

表2 實體試驗與數(shù)值模擬報警對比表

由表2可知，油池火工況下，實體試驗的第1次警報時間略小于仿真模擬試驗；其他火源類型時，實體試驗的第1次警報時間均遠長于仿真模擬試驗的(基本超過100 s)。

其原因為：① 實體試驗在封閉的室內(nèi)環(huán)境進行，與仿真模擬試驗的環(huán)境邊界條件不同；而且，二者空間高度等尺寸有較大差異。可見，起火環(huán)境差異較大。油池火初始功率很大，其熱煙氣受起火環(huán)境影響較小，而聚氨酯火和棉繩陰燃火的初始功率較小，其煙氣溫度相對較低，易受到起火環(huán)境的影響。② 仿真模擬感煙火災(zāi)探測器的報警以煙氣濃度作為唯一的判定參數(shù)。而實際的感煙火災(zāi)探測器，為了防止誤報，其響應(yīng)報警設(shè)有較為復(fù)雜的算法，并非由單一參數(shù)判定的。

F4火源正上方還設(shè)置了1個11#點型感煙火災(zāi)探測器，以單獨測試F4處不同火源的報警時間，并與仿真模擬試驗結(jié)果對比(如表3所示)。

從表3可以看出，油池火報警時間的實測值與模擬值基本一致，而聚氨酯火和棉繩火的實測報警時間則明顯長于模擬值。這再次表明，仿真計算點型感煙火災(zāi)探測器的報警時間時，油池火工況相對準確，聚氨酯火工況及棉繩陰燃火工況的模擬符合性欠佳。

表3 單個探測器實體試驗與模擬數(shù)值試驗報警時間對比

3 結(jié)論與建議

本文通過仿真模擬試驗和實體試驗對比，研究了地鐵站臺典型區(qū)域中點型感煙火災(zāi)探測器對不同火源的響應(yīng)性能，并得出以下結(jié)論：

(1) 不同的火源類型、火源位置和火源功率對點型感煙探測器的報警響應(yīng)時間都有一定影響。其中，影響較大的因素是火源類型。從實體試驗結(jié)果來看，點型感煙火災(zāi)探測器對油池火的探測響應(yīng)速度較快，而對聚氨酯火及棉繩陰燃火的探測響應(yīng)速度則相對較慢。

(2) 對于聚氨酯火、棉繩陰燃火而言，當火源位于探測器正下方時，報警響應(yīng)時間明顯較短；當火源位于2個探測器之間下方區(qū)域時，報警響應(yīng)時間明顯較長。

(3) 從仿真模擬試驗與實體試驗結(jié)果對比可以看出：油池火工況的模擬結(jié)果與實體試驗的結(jié)果較吻合，而聚氨酯火、棉繩陰燃火的實測報警時間明顯長于模擬報警時間。

站臺層一般不設(shè)置自動滅火系統(tǒng)，當站臺層發(fā)生火災(zāi)時，需消防人員救火，且人員疏散時間長、難度大，因此，盡早發(fā)現(xiàn)站臺層的火災(zāi)對地鐵車站滅火救援極其重要。為了更早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，對地鐵站臺層的火災(zāi)探測器提出如下建議：

(1) 適當減小點型感煙火災(zāi)探測器縱向間距。從實體試驗結(jié)果可見，火源離火災(zāi)探測器越近，報警時間越快，減小火災(zāi)探測器間距可使得站臺煙氣能更快地被探測到。

(2) 關(guān)鍵區(qū)域增設(shè)點型感煙火災(zāi)探測器。與站廳層連接的樓梯是站臺層人員疏散的唯一通道。一旦樓梯口發(fā)生火災(zāi)，將嚴重影響人員疏散速度。在站臺樓梯口等關(guān)鍵區(qū)域增設(shè)火災(zāi)探測器，將有助于盡早發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的火災(zāi)。

(3) 可積極引入可視圖像早期火災(zāi)報警系統(tǒng)對站臺層進行保護。可視圖像早期火災(zāi)報警系統(tǒng)利用既有的安防視頻系統(tǒng)，通過計算機模式識別技術(shù)能有效識別、監(jiān)測視頻中出現(xiàn)的火焰或煙霧圖像，從而快速準確地判斷出火災(zāi)，并發(fā)出報警信號。該系統(tǒng)具有同時探測火焰與煙霧、火災(zāi)準確定位、可視化等優(yōu)點，非常適合于地鐵站應(yīng)用。

此外，由于點型感煙火災(zāi)探測器對不同類型火源的報警時間有明顯差別，對不同位置的聚氨酯火、棉繩陰燃火的報警時間也有明顯差別。因此，建議在消防驗收時應(yīng)選擇不同類型的火源進行測試(如聚氨酯火和棉繩陰燃火)。同時，建議選擇關(guān)鍵區(qū)域和火災(zāi)探測“最不利點”進行測試。這樣更有助于檢測出火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的整體性能。

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